掺碳纳米管材料的水泥净浆的韧性性能研究

发表时间:2018/7/12   来源:《新材料.新装饰》2018年2月上   作者:陈建亮 魏玉升
[导读] 以水泥净浆为基体,多壁碳纳米管为增强组分,通过对碳纳米管水泥净浆标准试件的三点弯曲试验和韧性试验,测试表明随着碳纳米管掺量的不断增加,28d龄期下,当碳纳米管掺入量为0.05%时,水泥净浆试件的韧性指数较大。

(山东省水利勘测设计院(山东省水利工程试验中心),山东 济南 章丘 250220)
摘要:以水泥净浆为基体,多壁碳纳米管为增强组分,通过对碳纳米管水泥净浆标准试件的三点弯曲试验和韧性试验,测试表明随着碳纳米管掺量的不断增加,28d龄期下,当碳纳米管掺入量为0.05%时,水泥净浆试件的韧性指数较大。
关键词:碳纳米管,水泥基复合材料,韧性指数

 
        引言
        水泥作为当今社会最大宗最重要的建筑材料,自身存在收缩大、韧性差、抗拉强度低等缺点,在某些场合已不能满足对材料高性混凝土的能的要求[1]。近几十年来,许多研究者通过向混凝土中添加钢纤维、PVP纤维、PP纤维和碳纤维[2-3]等作为增强相来制备复合材料,结果表明纤维的掺入有效提高了混凝土的抗拉强度及其韧性,而且有效控制了裂缝的开展。
        1 试验概况
        试验所用水泥为山东青岛山水水泥集团有限公司生产的山水东岳牌普通硅酸盐水泥;碳纳米管为山东大展纳米材料有限公司生产的多壁碳纳米管。
        试验分别采用六组不同多壁碳纳米管掺入量的碳纳米管水泥净浆复合材料试件,相应的碳纳米管掺入量分别是0% wt、0.02% wt、0.05% wt、0.10% wt、0.20% wt、0.30% wt(相对于水泥的质量掺入量),萘系高效减水剂的掺量为水泥质量的0.9%。所有试件的水灰比均为0.35。碳纳米管分散液的浓度为5% wt,每组在计算总用水量时需考虑碳纳米管分散液中的水分。表1为具体的一组三块碳纳米管水泥净浆试件的试验配合比。
        表1  碳纳米管水泥净浆的配合比

              

        2 试验结果与分析
               
        图1 荷载-变形曲线
        图1所示为28d龄期下,不同碳纳米管掺量的碳纳米管水泥净浆梁试件的荷载-挠度曲线( 曲线)。本次试验中碳纳米管的掺入量在0.05%时,表现出最好的变形能力。但当碳纳米管的掺量继续增大,碳纳米管水泥净浆梁的变形性能随着碳纳米管掺量的增加反而呈现下降的趋势。试验中采用 曲线所围的面积值作为复合材料的韧性指标,取不同掺量的碳纳米管水泥净浆梁试件的韧性指标与未掺入碳纳米管的基准试件的韧性指标比值作为韧性指数,试验结果图2所示。
                
        图2 韧性指数—MWNT掺量曲线
        通过2可以看出,碳纳米管的掺入会使碳纳米管水泥净浆梁试件的韧性总体上呈现不同程度的增强效果。掺入量分别为0.02%、0.05%的A1、A2组的碳纳米管水泥净浆梁试件的韧性指数较基准试件A0组有较大的提高,特别是当掺入量为0.05%的A2组试件时,复合材料试件的韧性指数相对较好。这主要是由于碳纳米管本身具有良好的韧性,能阻止裂纹的生长和扩展,同时少量的碳纳米管在水泥净浆中的分散状况良好,与水泥基体之间有良好的界面相容性,因此在水化产物中可以表现出的良好的桥联和纤维拔出效应以及微观填充效应,增强了复合材料的韧性。当碳纳米管掺入量为0.10%的A3组试件时,较之前掺入量为0.05%的A2组试件,其韧性指数开始有所降低,但较水泥净浆基准试件仍是有明显提高;而对于掺入量为0.20%、0.30%的A4、A5组试件,复合材料试件的韧性指数较基准试件的提高幅度却很少。这可能主要是碳纳米管掺量不断加大后,碳纳米管在水泥净浆中不能均匀分散,容易集结缠绕成团,与水泥基体材料界面之间的相容性差,碳纳米管的效用被削弱了,从而致使复合材料的韧性有所下降。上述结果表明,碳纳米管的掺量存在一个临界值,当碳纳米管掺量小于此值时,复合材料的韧性指数随着碳纳米管掺量的增加而增加;当碳纳米管的掺量大于此值时,复合材料的韧性指数开始有所下降。
        3 结论
        碳纳米管的掺入一定程度上改善了水泥基复合材料的脆性。掺加了碳纳米管的水泥基复合材料破坏时,断裂面比较粗糙;未掺加碳纳米管时,断裂面往往较为光滑。从韧性变化特征上看,在28d龄期下,当碳纳米管掺入量为0.05%时,水泥净浆试件的韧性指数较高。为获得碳纳米管理想的增强、增韧效果,应选择适当的碳纳米管掺加量。
参考文献
[1]罗健林, 段忠东,李惠.MWNT的分散性及其对复合水泥基材料力学性能的影响[J].纳米技术与精密工程,2009, 7, (6): 532-536
[2]ACI 544 4R. Design considerations for steel fiber reinforced concrete[J]. ACI Structural Journal. 1988:563-580
[3]Li V C, Wang S, Wu H C. Tensile strain-hardening behavior of PVA-ECC [J]. ACI Materials Journal. 2001:483-492
 

 

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